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UNIVERSIDADE DE SO PAULO PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM CINCIAS E
ENGENHARIAS DE MATERIAIS
DIEGO RODRIGO DA SILVA
ESTUDO COMPARATIVO ENTRE ARAMES NA SOLDAGEM DE
MANCAIS DE FERRO FUNDIDO DE COMPRESSORES
HERMTICOS PARA REFRIGERAO
SO CARLOS
2014
-
DIEGO RODRIGO DA SILVA
ESTUDO COMPARATIVO ENTRE ARAMES NA SOLDAGEM DE
MANCAIS DE FERRO FUNDIDO DE COMPRESSORES
HERMTICOS PARA REFRIGERAO
Dissertao apresentada Escola de
Engenharia de So Carlos da Universidade
De So Paulo, para obteno do ttulo de Mestre
Em Cincias e Engenharia de materiais
rea de Concentrao: Desenvolvimento, Caracterizao E Aplicao de Materiais
Orientador: Prof. Dr. Haroldo Cavalcanti Pinto
Verso corrigida
Original na Unidade
So Carlos
2014
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Aos meus filhos,
Enzo e Julia,
E a minha esposa,
Fabiana,
Todo o meu amor.
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AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Dr. Haroldo Cavalcanti Pinto, que durante esses anos de
convvio, muito me ensinou, contribuindo para o meu crescimento
cientifico e cultural.
Ao Eng. Ivan C. Dias, Gerente da Engenharia Industrial da Tecumseh
do Brasil, por acreditar e incentivar o trabalho desde o seu incio.
Ao Eng. Alcides Zanon, Coordenador da Engenharia Industrial da
Tecumseh do Brasil, e ao Eng. Silvio Pepato, Engenheiro de
Processos, que compartilharam toda a sua experincia do processo
de Montagem dos compressores e contriburam para o sucesso do
trabalho.
Aos amigos Wellington Cardoso, Fabio Lionel, Ricardo Buzolin e
Bruno Spirandelli, pelo auxlio e discusses ao longo deste perodo
que contriburam para a elaborao do trabalho.
Ao Dr. Marcos Fortulan, Gerente da fabrica de Motores, pela energia
desprendida ao presente trabalho, contribuindo para o seu
enriquecimento.
Ao Eng. Marcos Perez, Gerente da linha de Montagem de
compressores rotativos, ao Eng. Orlando Carneiro, Supervisor da
linha de Montagem, e ao Eng. Oscar Caceres, Coordenador da linha
de Montagem, pelas horas e horas desprendidas nas discusses dos
resultados obtidos.
A Tecumseh do Brasil, minha grande escola profissional, pela
concesso de amostras e laboratrio para a realizao dos ensaios.
A bibliotecria Elena Gonalves pelo auxilio e tempo desprendido
para a correo deste trabalho
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A f na vitria tem que ser inabalvel.
Dexter
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RESUMO
SILVA, D. R. Estudo comparativo entre arames na soldagem de mancais de ferro fundido em compressores hermticos para refrigerao. 2014. Dissertao (Mestrado em Cincias e Engenharia de Materiais) Escola de Engenharia de So Carlos, Universidade de So Paulo, So Carlos, 2014.
Nos dias atuais, com o mercado altamente seletivo, com vrios
fabricantes e fornecedores de diversos tipos de produtos e servios, a qualidade
se tornou uma necessidade premente, na qual uma empresa que fornea bens
e/ou servios com baixa qualidade corre srios riscos de ser descartada pelos
mercados consumidores. Assim, a importncia da qualidade que se converteu
em um requisito bsico para uma empresa competir e se manter no mercado. As
empresas veem a qualidade como uma ferramenta para a reduo de custos e
para a melhoria de sua imagem junto ao mercado consumidor. Neste contexto,
de melhora da imagem junto ao mercado consumidor e de reduo de custos, o
presente trabalho foi realizado em uma importante e tradicional multinacional de
grande porte que produz compressores hermticos para refrigerao, com o
intuito de estudar a soldagem do mancal de ferro fundido carcaa de ao de
baixo carbono em compressores rotativos (rolete excntrico), utilizados em
aparelhos de ar condicionado. A solda realizada de maneira falha pode permitir a
perda do entreferro do motor, resultando em um rudo caracterstico, chamado
stall. Este trabalho avaliou diferentes tipos de arames, buscando garantir um
processo com qualidade e baixo custo. Testes foram realizados utilizando como
peas teste carcaas e mancais dos compressores. Verificou-se que o arame
slido ANSI/AWS A5.18 ER70S-6, atualmente utilizado, no o mais indicado
para a respectiva soldagem, em virtude da microestrutura e da resistncia da
soldagem obtida. A soluo tcnica apropriada a utilizao do arame
ERNiFeMn-CI que elimina a fragilizao das zonas parcialmente fundidas e
diludas prximos ao metal de solda, enquanto o arame metal cored E70C-6M
representa um compromisso entre as propriedades da junta soldada e custo do
processo.
Palavras chaves: Soldagem GMAW, Soldagem FCAW, Ferro fundido, ao
carbono, ER70S-6, E70C-6M, ERNiFeMn-CI.
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ABSTRACT
SILVA, D. R. Comparative study between alloys applied in cast iron main bearings weld in hermetic compressors to refrigeration. 2014. Dissertation
(Master in Science and Engineering of Materials) So Carlos School of Engineering, So Paulo University, So Carlos, 2014.
Nowadays, with the highly selective market, with several manufacturers
and suppliers of various types of products and services, quality has become a
pressing need, in which a company that provides services with a low quality at
serious risk of being discarded by the consumer markets. Thus, the importance of
quality is that it has become a basic requirement for a company to compete and
stay in the market. Companies see the Quality as a tool to reduce costs and to
improve its image with the consumer market. In this context, the improvement of
the image with the consumer market and costs reduction, this study was
conducted in a major traditional large multinational that produces hermetic
compressors to refrigeration, in order to study the welding of cast iron bearings
with low carbon steel houses in rotary compressors (eccentric roller) used in air
conditioners. The welding performed in a failure may allow loss of the air gap of
the motor, resulting in a characteristic noise, called stall. This study evaluated
different types of alloys, aiming to ensure process quality and low cost. Trials
were done using low carbon steel houses and cast iron bearings of the
compressors. After innumerous tests, it was found that the ANSI / AWS A5.18
ER70S-6 solid wire, currently used, is not the most suitable for their welding, in
view of microstructure and resistance of the weld obtained. The appropriate
technical solution is to use the wire ERNiFeMn-CI eliminating the weakening of
partially melted and diluted zones near the weld metal, while metal cored wire
E70C-6M represents a compromise between the properties of welded joint and
the cost of the process.
Keywords: GMAW welding, FCAW welding, cast iron, carbon steel, ER70S-6,
E70C-6M, ERNiFeMn-CI.
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LISTA DE TABELAS
TABELA 1- CORRESPONDNCIA DE DECIBIS 28
TABELA 2- ESPECIFICAO E COMPOSIO QUIMICA DA CHAPA DA
CARCAA.......................................................................................
62
TABELA 3- COMPOSIO QUIMICA DO MANCAL DE FERRO FUNDIDO
CINZENTO......................................................................................
64
TABELA 4- COMPOSIO QUIMICA DOS ARAMES CONSUMIVEIS............ 66
TABELA 5- PARMETROS DE SOLDAGEM ARAME ERNIFEMN-CI............. 66
TABELA 6- PARMETROS DE SOLDAGEM ARAME E70C-6M...................... 66
TABELA 7- PARMETROS DE SOLDAGEM ARAME ER70S-6...................... 67
TABELA 8- SINTESE DOS ENSAIOS.. 68
TABELA 9- RESULTADO DA ANLISE DE ENTREFERRO............................ 97
TABELA 10- RESULTADO DA ANALISE DE HERMETICIDADE DOS
COMPRESSORES..........................................................................
99
TABELA 11- TAXA DE VAZAMENTO IDENTIFICADA NOS
COMPRESSORES..........................................................................
100
TABELA 12- RESULTADO DO RUDO STALL. 102
TABELA 13- RESULTADOS OBTIDOS NO TESTE COMPARATIVO ENTRE
OS ARAMES E70C-6M E ER70S-6................................................
105
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LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 - ILUSTRAO DO CICLO BSICO DE
REFRIGERAO...........................................................................
28
FIGURA 2 - COMPRESSOR HERMTICO PARA UTILIZAO EM
APARELHOS DE AR CONDICIONADO........................................
29
FIGURA 3 - DESENHO ESQUEMATICO DO EQUIPAMENTO DE
SOLDAGEM MIG/MAG..................................................................
30
FIGURA 4 - SOLDA DO MANCAL DE FERRO FUNDIDO CINZENTO
REALIZADA COM O PROCESSO MIG/MAG UTILIZANDO O
ARAME ANSI / AWS A5.18 ER70S-6 COM 1.6MM....................
31
FIGURA 5 - MICRO ESTRUTURA DE UM FERRO FUNDIDO CINZENTO..... 36
FIGURA 6 - MICRO ESTRUTURA DE UM FERRO FUNDIDO MALEAVEL..... 36
FIGURA 7 - MICRO ESTRUTURA DE UM FERRO FUNDIDO NODULAR...... 37
FIGURA 8 - FASES E MICRO ESTRUTURAS NA SOLDAGEM DO FERRO
FUNDIDO........................................................................................
38
FIGURA 9 - MICRO ESTRUTURA DA MARTENSITA NO FERRO FUNDIDO. 39
FIGURA 10 - GEOMETRIA DO CORDO DE SOLDA. A) PROCESSO GMAW
B) PROCESSO FCAW...................................................................
43
FIGURA 11 - ILUSTRAO DO PRINCIPIO DO PROCESSO GMAW............... 44
FIGURA 12 - PROCESSO BSICO DE SOLDAGEM FCAW.............................. 46
FIGURA 13 - MODOS DE TRANSFERNCIA METLICA.................................. 48
FIGURA 14 - TERMINOLOGIAS.......................................................................... 50
FIGURA 15 - STICK-OUT..................................................................................... 51
FIGURA 16 - INFLUNCIA DO STICK OUT NA GEOMETRIA DO CORDO
DE SOLDA......................................................................................
52
FIGURA 17 - EFEITO DA ORIENTAO DO ELETRODO NA MORFOLOGIA
DO CORDO DE SOLDA...............................................................
53
-
FIGURA 18 - CLULA DE SOLDAGEM DO MANCAL........................................ 61
FIGURA 19 - DIMENSES TIPICAS DE UM COMPRESSOR PARA
UTILIZAO EM APARELHOS DE AR CONDICIONADO. EM
AMARELO OBSERVA-SE O MANCAL DE FERRO FUNDIDO
CINZENTO......................................................................................
63
FIGURA 20 - DESIGN DO MANCAL DE FERRO FUNDIDO CINZENTO........... 64
FIGURA 21 - CORPO DE PROVA EMBUTIDO A QUENTE PARA ANALISES
METALOGRAFICAS....................................................................... 69
FIGURA 22 - DESENHO ESQUEMATICO DAS LINHAS PERCORRIDAS
PARA ELABORAO DOS PERFIS DE MICRO DUREZA...........
70
FIGURA 23 - MICRO DURMETRO LEICA VMHT MOT UTILIZADA PARA
MEDIO DOS PERFIS DE MICRO DUREZA..............................
71
FIGURA 24 - PRENSA HIDRAULICA DE ENSAIO QUANTO RESISTNCIA
DA SOLDAGEM. I) VISTA GERAL DO EQUIPAMENTO; II) E III)
CONJUNTO CENTRALIZADO NO EQUIPAMENTO DE TAL
FORMA QUE A FORA SEJA REALIZADA SOBRE OS
PONTOS DE SOLDAGEM.............................................................
72
FIGURA 25 - MANCAL COM PENETRAO ACEITVEL................................. 73
FIGURA 26 - MANCAL SEM PENETRAO...................................................... 73
FIGURA 27 - CARGA DE 05 BAR DE HLIO APLICADA MANUALMENTE NO
COMPRESSOR. COMPRESSOR NO INTERIOR DA CMARA
DE ENSAIO SENDO TESTADO QUANTO A SUA
HERMETICIDADE..........................................................................
74
FIGURA 28 - CANECA QUE INSERIDA ENTRE O SUBCONJUNTO
ROTOR E ESTATOR PARA A REALIZAO DA SOLDAGEM
DO MANCAL A CARCAA.............................................................
75
FIGURA 29 - CALIBRADOR DE LMINA UTILIZADO PARA VERIFICAR O
ENTREFERRO ENTRE O ROTOR E O ESTATOR.......................
75
FIGURA 30 - COMPRESSOR SENDO TESTADO QUANTO AO RUDO
STALL.............................................................................................
76
FIGURA 31 - PENETRAO TIPO DEDIFORME NO MANCAL NA AMOSTRA
SOLDADA UTILIZANDO O ARAME ER70S-6...............................
77
-
FIGURA 32 - PENETRAO PARCIAL E AS DIVERSAS REGIES NA
CARCAA E MANCAL UTILIZANDO O ARAME E70C-6M...........
78
FIGURA 33 - PENETRAO PARCIAL E AS DIVERSAS ZONAS NA
CARCAA E MANCAL UTILIZANDO O ARAME ERNIFEMN-CI..
79
FIGURA 34 - ARAME ERNIFEMN-CI MICROESTRUTURA DA INTERFACE
MANCAL E SOLDA........................................................................
81
FIGURA 35 - METAL DE SOLDA PRODUZIDO COM O ARAME ERNIFEMN-
CI.....................................................................................................
82
FIGURA 36 - ARAME ERNIFEMN-CI MICROESTRUTURA DA INTERFACE
DA CARCAA E SOLDA................................................................
83
FIGURA 37 - ARAME E70C-6M MICROESTRUTURA DA INTERFACE DO
MANCAL E SOLDA.........................................................................
85
FIGURA 38 - ARAME E70C-6M MICROESTRUTURA DA INTERFACE DA
CARCAA E SOLDA......................................................................
86
FIGURA 39 - ARAME ER70S-6 MICROESTRUTURA DA INTERFACE DO
MANCAL E SOLDA.........................................................................
88
FIGURA 40 - ARAME ER70S-6 MICROESTRUTURA DA INTERFACE
CARCAA E SOLDA......................................................................
89
FIGURA 41 - PERFIS DE MICRO DUREZA DA AMOSTRA SOLDADA COM O
ARAME ERNIFEMN-CI...................................................................
90
FIGURA 42 - PERFIS DE MICRO DUREZA DA AMOSTRA SOLDADA COM O
ARAME E70C-6M...........................................................................
91
FIGURA 43 - PERFIS DE MICRO DUREZA DA AMOSTRA SOLDADA COM O
ARAME ER70S-6............................................................................
92
FIGURA 44 - PRESSO DE ARRANCAMENTO DOS DIFERENTES ARAMES 93
FIGURA 45 - RESISTNCIA DA SOLDAGEM ARAME ERNIFEMN-CI........... 94
FIGURA 46 - RESISTNCIA DA SOLDAGEM ARAME E70C-6M.................... 95
FIGURA 47 - RESISTNCIA DA SOLDAGEM ARAME ER70S-6.................... 96
FIGURA 48 - MANCAL INDICANDO A POSIO E O NMERO DA
SOLDAGEM REALIZADA...............................................................
98
-
FIGURA 49 - VAZAMENTO IDENTIFICADO NO CENTRO DA SOLDA
REALIZADA....................................................................................
100
FIGURA 50 - TRINCA AO LONGO DA INTERFACE DO MANCAL COM O
PONTO DE SOLDA: I) REGIO DA INTERFACE; II) REGIO
DA TRINCA PASSANTE.................................................................
101
FIGURA 51 - ACOMPANHAMENTO DO ENTREFERRO.................................... 105
FIGURA 52 - ACOMPANHAMENTO DE VAZAMENTO NA SOLDAGEM DO
MANCAL.........................................................................................
111
FIGURA 53 - ACOMPANHAMENTO DO DEFEITO STALL................................. 106
FIGURA 54 - ACOMPANHAMENTO DO DEFEITO ROLLER PRESO POR
RESDUO METLICO....................................................................
107
FIGURA 55 - ASPECTO VISUAL DA SOLDAGEM REALIZADA COM O
ARAME E70C-6M...........................................................................
107
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LISTA DE SIGLAS
dB DECIBIS
HP HORSE POWER
GMAW GAS METAL ARC WELDING
FCAW FLUX CORED ARC WELDING
MIG METAL INERT GAS
MAG METAL ACTIVE GAS
TIG TUNGSTEN INERT GAS
ANSI AMERICAN NACIONAL STANDARDS INSTITUTE
AWS AMERICAN WELDING SOCIETY
AWS A5.15 CLASSIFICAO AWS PARA ARAMES SLIDOS
AWS A5.18 CLASSIFICAO AWS PARA ARAMES TUBULARES
ZAC ZONA AFETADA PELO CALOR
ZTA ZONA TERMICAMENTE AFETADA
ZPD ZONA PARCIALMENTE DILUIDA
ZPF ZONA PARCIALMENTE FUNDIDA
DCEP DIREO CORRENTE ELETRODO POSITIVO
ECI ELECTRODE CAST IRON
SAE SOCIETY OF AUTOMOTIVE ENGINEERS
ECI ELECTRODE CAST IRON
Est ELETRODO ALMA AO COM GRAFITE
Exxxx ELETRODOS REVESTIDOS
HSLA AOS DE ALTA RESISTNCIA E BAIXA LIGA
Nital SOLUO CIDO NITRICO COM ALCOOL ETILICO
PPM PARTES POR MILHO
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LISTA DE SMBOLOS
C GRAUS CELSIUS
A AMPERES
C8 MISTURA GASOSA CONTENDO 8%CO2 E 92% ARGNIO
mm MILMETRO
mm2 MILMETRO QUADRADO
Ar ARGNIO
CO2 DIXIDO DE CARBONO
Si SILICIO
C CARBONO
O OXIGNIO
cm2 CENTMETRO QUADRADO
Kgf QUILOGRAMA FORA
ms MILISEGUNDOS
V VOLTS
Hz HERTZ
s SEGUNDOS
L LITROS
Cu COBRE
P FOSFORO
HB HARDNESS BRINELL
HV HARDNESS VICKERS
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SUMRIO
1 INTRODUO ............................................................................................... 27
2 OBJETIVOS E JUSTIFICATIVAS .................................................................. 33
3 ESTADO DA TCNICA ................................................................................. 35
3.1 FERRO FUNDIDO ................................................................................... 35
3.2 A SOLDAGEM DOS FERROS FUNDIDOS ............................................. 37
3.2.1 ZONA AFETADA PELO CALOR (ZAC) OU ZONA TERMICAMENTE
AFETADA (ZTA) ............................................................................................... 39
3.2.2 ZONA PARCIALMENTE FUNDIDA (ZPF) OU ZONA PARCIALMENTE
DILUIDA (ZPD) ................................................................................................. 40
3.2.3 ZONA FUNDIDA ...................................................................................... 41
3.2.4 POROSIDADES NA SOLDA .................................................................... 41
3.3 PROCESSOS DE SOLDAGEM GMAW E FCAW ................................... 41
3.3.1 PROCESSO GMAW ................................................................................ 44
3.3.2 PROCESSO FCAW ................................................................................. 46
3.3.3 TRANSFERNCIAS METLICAS ........................................................... 48
3.3.4 PRINCIPAIS VARIAVEIS DE SOLDAGEM.............................................. 48
4 EQUIPAMENTOS, MATERIAIS E PROCEDIMENTOS ................................. 61
4.1 EQUIPAMENTOS .................................................................................... 61
4.2 MATERIAIS ............................................................................................. 62
4.3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ....................................................... 68
4.3.1 METALOGRAFIA E MICRO DUREZA ..................................................... 69
4.3.2 MACROGRAFIA ...................................................................................... 69
4.3.3 MICROGRAFIA ........................................................................................ 70
4.3.4 PERFIL DE MICRO DUREZA .................................................................. 70
4.3.5 ENSAIO DE RESISTNCIA DA SOLDA.................................................. 71
4.3.6 ENSAIO DE HERMETICIDADE ............................................................... 73
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4.3.7 ENSAIO QUANTO AO ENTREFERRO DO MOTOR .............................. 75
4.3.8 ENSAIO QUANTO AO RUDO STALL .................................................... 75
5 RESULTADOS E DISCUSSES .................................................................. 77
5.1 MACROGRAFIA ..................................................................................... 77
5.2 MICROGRAFIA ....................................................................................... 79
5.2.1 ARAME ERNiFeMn-Cl ............................................................................ 80
5.2.2 ARAME E70C-6M ................................................................................... 84
5.2.3 ARAME ER70S-6 .................................................................................... 86
5.3 PERFIS DE MICRO DUREZA ................................................................ 90
5.4 ENSAIO DE RESISTNCIA DA SOLDA................................................. 93
5.5 ENSAIO QUANTO AO ENTREFERRO DO MOTOR .............................. 97
5.6 ENSAIO QUANTO A HERMETICIDADE ................................................ 99
5.7 ENSAIO QUANTO AO RUDO STALL.................................................. 102
5.8 DISCUSSES ...................................................................................... 104
6 CONCLUSES ........................................................................................... 109
REFERNCIAS ............................................................................................ 1111
-
27
1 INTRODUO
Com a abertura econmica e o processo de globalizao em curso, o
mercado brasileiro se tornou ainda mais seletivo, exigindo redues de custos e
melhores nveis de qualidade, entre outras necessidades.
Para sobreviver em um mercado altamente seletivo, as empresas s
conseguem determinar o preo se forem pioneiras ou apresentarem inovaes
revolucionrias ou disruptivas. A sua qualidade e seu preo o tornar
competitiva, buscando assim, o fator preferncia do consumidor.
Atualmente perceptvel que as novidades tecnolgicas surgem a cada
dia em todos os ramos da atividade humana. O que hoje considerado
moderno, rapidamente se torna ultrapassado devido s inovaes tecnolgicas,
que vo desde o projeto, desenvolvimento at o lanamento de novos produtos
com velocidade nunca antes vista. Esse fenmeno atinge todos os mercados e
para os compressores de refrigerao no diferente.
O mercado de compressores hermticos para refrigerao, por se tratar
de um mercado extremamente seletivo, faz as empresas fabricantes buscarem a
sua diferenciao atravs de constantes lanamentos de novos produtos com
caractersticas que atualmente os clientes desejam ou possam vir a desejar.
Dentre as principais caractersticas, pode-se citar o aumento da eficincia
energtica e a minimizao do rudo dos aparelhos.
Para compressores de aparelhos de ar condicionados, a caracterstica
rudo extremamente importante, em virtude de sua utilizao em ambientes
comerciais e residenciais que requerem um baixo nvel de rudo ambiente.
As montadoras aceitam compressores com qualquer rudo at 40 decibis
(dB), porm, os desenvolvimentos so baseados buscando nveis menores. A
tabela 1 apresenta a correspondncia dos nveis de rudo em dB.
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28
Tabela 1 Correspondncia de decibis
Intensidade Decibis Tipo de rudo
Muito baixo 0-20 Silencioso a rudo de folhas.
Baixo 20-40 Conversao silenciosa.
Moderado 40-60 Conversao normal.
Alto 60-80 Rudo mdio em fbrica ou no trnsito.
Muito alto 80-100 Apito e rudo de caminho.
Ensurdecedor 100-120 Rudo de discoteca e avio decolando.
Fonte: Pgina consultada em 05 de Janeiro de 2014 < http://www.multisplit.net/artigos/tabela-de-ruido-em-db-ar-condicionado>
O ponto que ser abordado neste trabalho justamente a busca na
reduo do defeito stall em compressores destinados a aparelhos de ar
condicionados, que um rudo alto e rpido, ocasionado quando dado
partida do compressor e o rotor toca no estator. Um dos possveis motivos para
o defeito a presena de uma solda frgil na unio da bomba mecnica a
carcaa, permitindo a perda do entreferro do motor.
A figura 1 ilustra um sistema bsico de refrigerao de ar condicionado.
Figura 1: Ilustrao do ciclo bsico de refrigerao.
Fonte: Pgina consultada em 12 de Dezembro de 2013,
.
http://www.multisplit.net/artigos/tabela-de-ruido-em-db-ar-condicionadohttp://www.arcondicionado.com.br/faq-arcondicionado
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29
O corao do sistema de refrigerao o compressor hermtico. Cada
sistema de refrigerao de ar condicionado utiliza, no mnimo, 01 compressor
hermtico que, na sua essncia um motor eltrico, com potncia em torno de
0.5 - 3 HP, acoplado a um mecanismo de compresso por palheta, que gira de
3.000 a 3.500 rotaes por minuto, responsvel pela compresso do fludo
refrigerante.
Basicamente, externamente o compressor hermtico de ar condicionado
composto de carcaa calandrada soldada longitudinalmente e tampas superiores
e inferiores fabricadas em processo de estampagem. Componentes como o tubo
passador do gs de refrigerao, acumulador, parafuso de ligao e conector
eltrico, so unidos carcaa pelo processo de soldagem, por resistncia ou
brasagem. A figura 2 exemplifica um compressor rotativo.
Figura 2: Compressor hermtico para utilizao em aparelhos de ar condicionados.
Fonte: Tecumseh do Brasil LTDA.
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30
Uma importante operao no processo de montagem do compressor
rotativo a soldagem do mancal carcaa atravs do processo de soldagem
GMAW ou GAS METAL ARC WELDING. A soldagem realizada em trs pontos
e consiste em dois disparos distintos com um breve intervalo entre os mesmos.
A solda deve ser livre de vazamentos e a penetrao deve ser tal que o
compressor resista a todos os testes de transporte e de vida, sem falhas ou
qualquer perda de entreferro do motor. A solda realizada de maneira falha pode
permitir a perda do entreferro e at o toque do rotor no estator, gerando durante
a partida do compressor um rudo, chamado internamente de stall.
O processo de soldagem no simples, em virtude de o mancal ser
constitudo de ferro fundido cinzento e a carcaa um ao de baixo carbono.
Dentre as boas qualidades do ferro fundido cinzento pode-se destacar o
baixo custo de obteno, a capacidade de absoro de vibrao e a fcil
usinabilidade, porm a falta de ductilidade plstica contribui para a dificuldade da
soldagem deste material.
O processo de soldagem atualmente utilizado o GMAW e utiliza como
material de adio o arame ANSI / AWS A5.18 ER70S-6 de dimetro 1.60mm.
No processo de soldagem GMAW ou MIG (Metal inert gas) / MAG (Metal
active gas), um arco de soldagem formado entre um arame-eletrodo macio
continuamente alimentado e o material de base, formando uma poa que
protegida por um gs de proteo. Se o arame for tubular, o gs de proteo
pode ser, simplesmente, da fuso do fundente. A figura 3 exemplifica o sistema.
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31
Figura 3: Desenho esquemtico do equipamento de soldagem MIG/MAG.
Fonte: Modenesi e Marques (2009).
O processo dispe de mecanismo motorizado que direciona o arame,
continuamente at a pea, estabelecendo o circuito de soldagem. Usualmente, o
arame-eletrodo o plo positivo e a pea o plo negativo, alcanando
densidades de corrente de at 300 A/mm2, resultando em elevadas velocidades
de fuso do eletrodo.
Na soldagem do mancal carcaa, o processo MIG/MAG apresenta
caractersticas aceitveis quanto ao aspecto visual e velocidade. Utiliza-se fontes
de soldagem convencionais de corrente contnua ou pulsada (eletrodo positivo)
de 200 a 400A e a composio do gs de proteo a mistura C8 (92%Ar + 8%
CO2).
Este processo tem apresentado bom desempenho, porm alguns pontos
ainda podem ser melhorados, como a reduo do material de adio, que exige
limpeza constante de bocais e tochas, o ambiente de trabalho que prejudicado
pela sujidade do processo (respingos) que afetam os equipamentos eletrnicos,
a presena de respingos que colam no produto final, a grande emisso de fumos
e a questo microestrutural da soldagem, onde se observa a formao de
defeitos e microestruturas indesejadas (martensita), que tornam frgil a regio da
interface. A figura 4 mostra o aspecto visual da soldagem do mancal utilizando o
arame ER70S-6.
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32
Figura 4: Solda do mancal a carcaa realizada com o processo MIG/MAG utilizando o
arame ANSI / AWS A5.18 ER70S-6 com 1. 6 mm.
Fonte: Tecumseh do Brasil LTDA.
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33
2 OBJETIVOS E JUSTIFICATIVAS
Em face dos tpicos mencionados anteriormente e tendo-se em vista as
condies de trabalho disponveis, a presente dissertao tem, como objetivo
principal, a realizao de um estudo de viabilidade tcnica da soldagem de
mancais de ferro fundido cinzento em carcaas de ao de baixo carbono,
utilizando o arame ANSI/AWS A5.15 ERNiFeMn-Cl, alm dos arames ANSI/AWS
A5.18 ER70S-6 (atualmente utilizado na unidade brasileira) e ANSI/AWS A5.18
E70C-6M (atualmente utilizado na unidade francesa).
O estudo de viabilidade tcnica foi realizado atravs da comparao das
propriedades mecnicas e ndices qualitativos obtidos nas soldagens
(microestrutura formada, dureza, resistncia, penetrao e ndices de
vazamentos, entreferro e stall) em relao aos aspectos econmicos (custo
beneficio).
No h registros ou estudos, sobre a influncia do arame atualmente
utilizado na soldagem com o defeito stall. A literatura existente sobre soldagem
em ferro fundido cinzento no cita que o arame atualmente utilizado ANSI/AWS
A5.18 ER70S-6 indicado para a sua soldagem. A aquisio de conhecimento
cientfico em relao a esta aplicao torna-se um objetivo a ser perseguido.
Aspectos relativos aos defeitos de soldagem como, vazamentos e trincas
de solidificao, foram cuidadosamente avaliados para possibilitar uma soluo
eficiente da nova aplicao.
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34
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35
3 ESTADO DA TCNICA
3.1 FERRO FUNDIDO
Genericamente, os ferros fundidos so uma classe de ligas ferrosas com
teores de carbono acima de 2,14%. Na prtica, no entanto, os ferros fundidos
contm entre 3 a 4,5%, alm de outros elementos de liga, como silcio de 0,5 a
3%, e at 1% de mangans (CALLISTER, 2003). As principais caractersticas
que tornam os ferros fundidos bastante empregados industrialmente so o baixo
ponto de fuso, alta fluidez e menor contrao com relao aos aos. Essas
propriedades aliadas ao seu menor custo so fatores que levam a preferncia
sobre os aos fundidos, apesar das qualidades inferiores.
As categorias gerais dos ferros fundidos so ferro fundido cinzento, ferro
fundido branco, ferro fundido malevel e ferro fundido nodular (dctil),
(AMERICAN WELDING SOCIETY - AWS, 1998).
O ferro fundido cinzento a liga mais utilizada em virtude de suas
caractersticas como, fcil fuso e moldagem, boa resistncia mecnica e
usinabilidade, boa resistncia ao desgaste e a boa capacidade de
amortecimento (CHIAVERINI, 2008).
As propriedades mecnicas dependem do tipo da microestrutura e da
forma e distribuio dos microconstituintes, principalmente a grafite livre.
O carbono est presente no ferro fundido de duas formas: (1) como
carbono combinado (cementita, perlita, martensita, etc.) e (2) como carbono livre
(grafita). No ferro fundido cinzento a grafita tem a aparncia de lamelas, figura 5,
enquanto que no ferro fundido malevel, uma aparncia quase esferoidal, figura
6.
As fendas afiadas e descontinuidades produzidas pelas lamelas de grafita
no ferro fundido cinzento so as responsveis por sua caracterstica frgil. O
ferro fundido malevel e o nodular no apresentam essa fragilidade pois a grafita
basicamente no formato esferoidal ou globular (AWS, 1998).
Em resumo, o ferro fundido contm mais carbono do que um ao de alto
carbono e aprecivel quantidade de silcio (Si), e ambos os materiais influenciam
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a forma estrutural que o carbono exibe no ferro fundido, como pode ser visto nas
figuras 5, 6 e 7.
Figura 5: Micro estrutura de um ferro fundido cinzento.
Fonte: AWS (1998).
Figura 6: Micro estrutura de um ferro fundido malevel.
Fonte: AWS (1998).
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Figura 7: Micro estrutura de um ferro fundido nodular.
Fonte: AWS (1998).
O sistema metaestvel carboneto ferro-ferro coexiste com o sistema
estvel ferro-grafita em um ferro fundido. Esses constituintes de carbono
produzem uma matriz metlica que possui a microestrutura e atributos do ao. O
carbono graftico no combinado distribudo na matriz em uma variedade de
formas geomtricas, incluindo partculas em miniatura, vrias formas de lamelas
e esferoides. O tamanho, a forma, e a distribuio da grafita influenciam as
propriedades mecnicas e fsicas do ferro fundido (AWS, 1998).
J o ao carbono um ao sem adio proposital de outros elementos,
contendo apenas carbono abaixo de 2,14% e os quatro elementos residuais
sempre encontrados nos aos e que permanecem em sua composio durante o
processo de fabricao, ou seja, mangans, silcio, fsforo e enxofre (SOUZA,
1989).
3.2 A SOLDAGEM DOS FERROS FUNDIDOS
Os processos de soldagem envolvem aplicao de calor e/ou presso,
com ou sem uso de metal de adio, para produzir uma unio localizada. O
rpido aquecimento e resfriamento do metal de base nas proximidades da solda
causam deformao plstica do material ao redor da junta e a formao de
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tenses residuais, aps a operao de soldagem ser completada. A solda
somente uma parte da junta. Tambm importante, e normalmente mais critico no
caso de ferro fundido, o material que circunda a solda, a zona afetada pelo
calor (ZAC), regio que no fundiu, mas que foi de alguma forma afetada pela
energia trmica aportada pelo processo. A figura 8 apresenta o diagrama de fase
da liga Fe-C e as reas correspondentes na soldagem de ferros fundidos.
Figura 8: Fases e microestruturas na soldagem do ferro fundido.
Fonte: AWS (1998).
O ferro fundido pode ser pensado como um ao acrescido de grafita. A
parte do ao forma a matriz e, como o ao, pode ser endurecido ou ter sua
ductilidade aumentada atravs de tratamentos trmicos.
Diferente do ao, contudo, o ferro fundido tem um excesso de carbono
(proveniente da grafita) na sua matriz. Durante a soldagem, a matriz poder
enrijecer localmente com o carbono e, sob-rpido resfriamento, a zona afetada
pelo calor, poder tornar-se muito frgil, devido ao acmulo de tenses residuais
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na formao da martensita, figura 9, e cementita. Esses fatores metalrgicos
fazem o ferro fundido ser mais difcil de soldar do que o ao (AWS, 1998).
Figura 9: Microestrutura da martensita no ferro fundido.
Fonte: AWS (1998).
A tenso de resistncia, dureza e microestrutura de um ferro fundido
cinzento so influenciadas por muitos fatores, incluindo composio qumica,
projeto, caractersticas do molde, e taxas de resfriamento durante e aps a
solidificao. O contedo de nquel no ferro fundido cinzento aumenta a sua
resistncia a tenso e corroso.
O limite de elasticidade do ferro fundido cinzento no especificado. Para
propsitos prticos, o limite de elasticidade e a mxima resistncia so
considerados coincidentes. A resistncia compresso do ferro fundido cinzento
de 2,5 a 4 vezes maior que sua resistncia trao. J a sua resistncia ao
impacto geralmente baixa, geralmente quando o fsforo est em seu nvel
mais alto. Fsforo tambm tem um efeito indesejado na soldabilidade. Com
nveis altos de fsforo, trincas no metal de solda podem aparecer.
3.2.1 ZONA AFETADA PELO CALOR (ZAC) OU ZONA TERMICAMENTE
AFETADA (ZTA)
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A maior dificuldade na soldagem de ferros fundidos a sua tendncia
para formar microestruturas duras e frgeis na ZAC ou ZTA devido ao alto teor
de carbono. A soldagem de ferro fundido caracterizada pelo rpido
resfriamento da poa de fuso comparando com o mais lento resfriamento do
ferro durante a fundio. O ciclo trmico da solda assim no produz uma
microestrutura desejvel.
A estrutura da ZAC complexa e normalmente consistem de uma mistura
de martensita, austenita, carbonetos primrios e eutticos.
O mecanismo pelo qual estas estruturas so formadas parece bem
estabelecido. Sob a influncia do calor do arco e do metal fundido do cordo,
uma zona estreita, adjacente ao metal da solda, aquecida at temperaturas
logo abaixo da temperatura do euttico. Atingindo esta temperatura, a matriz
primeiro austenitizada e, ento, comea rapidamente a dissolver a grafita. Isto
resulta em uma austenita rica em carbono e pequenas poas de lquido ricas em
carbono. Ento, medida que o metal da solda e a ZAC so rapidamente
resfriados, sob a influncia da grande massa de metal frio logo ao lado da zona
de pico de temperatura, a austenita rica em carbono transforma-se parcialmente
ou totalmente em martensita, e o liquido resfria como uma mistura de euttico e
carbonetos primrios. Este evento acontece em segundos, ou at mesmo
fraes dele.
3.2.2 ZONA PARCIALMENTE FUNDIDA (ZPF) OU ZONA PARCIALMENTE
DILUIDA (ZPD)
A zona parcialmente fundida (ZPF) ou diluda (ZPD) uma extenso da
ZAC, ocorrendo quando um alto pico de temperatura causa uma fuso parcial
das impurezas de baixo ponto de fuso contidas no metal base, prximo da linha
de fuso do cordo. Esta regio extremamente frgil, o que afeta
adversamente as propriedades mecnicas, um fator que deve ser levado em
considerao para produzir juntas soldadas satisfatrias.
A microestrutura da regio parcialmente fundida uma mistura complexa
de martensita, austenita, carboneto primrio, e ledeburita diversificada com
ndulos ou flocos de grafita parcialmente dissolvidas. Reduo dos picos de
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temperatura e tempo a altas temperaturas so os mais eficientes mtodos de
reduzir qualquer tendncia a trincas (AWS, 1998).
3.2.3 ZONA FUNDIDA
A microestrutura e as propriedades do metal de solda so influenciadas
pela seleo dos metais de adio. A poa de fuso produzida por arco eltrico,
homogeneizada durante a soldagem, para produzir um cordo de solda
relativamente uniforme na composio (AWS, 1998).
3.2.4 POROSIDADES NA SOLDA
Com a alta temperatura da solda, a grafita, presente no ferro fundido,
queima-se, ficando mais fluida, saindo da microestrutura, dissolvendo-se no
metal e tornando-o menos fluido, de modo que o vazio deixado no
preenchido, o que deixa a pea porosa. Quando a pea fundida apresenta a
grafite em veios finos e de distribuio uniforme, o problema menos grave. Em
todos os casos, sempre uma dificuldade a mais na soldagem dos ferros
fundidos cinzentos. Isto principalmente importante em peas que exigem
estanqueidade.
Um mtodo para amenizar o inconveniente a utilizao de um pr-
aquecimento que permita a massa fundida manter-se por mais tempo no estado
liquido e fluida, obturando os espaos vazios (PARIS, 2003).
3.3 PROCESSOS DE SOLDAGEM GMAW E FCAW
Na soldagem de ferro fundido, o processo de soldagem GMAW e FCAW
tem o seu uso limitado, pois suas principais vantagens so as altas taxas de
deposio e a eficincia.
Segundo Modenesi (2000), a soldagem a arco gs metal (MIG/MAG ou
Gs Metal Arc Welding - GMAW) um processo de soldagem a arco que produz
a unio dos metais pelo seu aquecimento com um arco eltrico estabelecido
entre um eletrodo metlico contnuo (e consumvel) e a pea (metal de base)
com proteo de gs.
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A concepo bsica do GMAW foi introduzida no mercado em 1920,
entretanto, somente a partir de 1948 tornou-se comercialmente vivel.
Inicialmente, o GMAW foi considerado para ser, fundamentalmente, um
processo de alta densidade de corrente, utilizando eletrodos de metal nu de
pequenos dimetros e gs de proteo do tipo inerte. Sua primeira aplicao foi
na soldagem de alumnio. Por causa dessa caracterstica, o termo MIG Metal
Inert Gas foi usado e esta denominao ainda bastante utilizada.
Evoluo subseqente do processo incluindo adies do gs oxignio ao
gs argnio (1951) e a introduo de gs ativo puro dixido de carbono ou
mistura deste com o gs argnio (1953), propiciou a soldagem com baixas
densidades de energia e a soldagem utilizando corrente pulsada para uma vasta
gama de materiais (ferrosos e no ferrosos), empregando gs inerte, ativo ou
uma mistura de gases. Devido utilizao de diferentes tipos de gs de
proteo, o termo GMAW Gas Metal Arc Welding foi aceito formalmente para
denominao do processo.
Na dcada de 50, a introduo da combinao do gs de proteo CO2
com eletrodos contendo fluxo interno (arames tubulares) propiciou significantes
melhorias nas condies de operao e na qualidade da solda. A primeira
apresentao pblica deste processo (conhecido como FCAW ou Flux Cored Arc
Welding) foi no ano de 1954 e, em 1957, os equipamentos utilizados j possuam
uma configurao similar atual. Experincias deste perodo j demonstravam
significantes melhorias nas propriedades das soldas quando o arco e o metal
fundido esto protegidos da contaminao pela atmosfera.
Na soldagem FCAW os gases de proteo empregados podem ter tanto
uma caracterstica inerte, como no caso de misturas a base de Argnio ou Hlio,
nas quais os elementos qumicos presentes no gs de proteo no migram
para o interior do metal de solda, quanto uma caracterstica ativa, para o caso de
misturas que utilizam propores de CO2 ou O2, aonde os elementos presentes
no gs de proteo tendero a migrar para o interior do metal de solda,
causando alteraes no teor de Carbono e na quantidade de xidos (WAINER,
1992).
A soldagem a arco com arame tubular (FCAW) e arame slido (GMAW)
so processos que acumulam vantagens, como: alto fator de trabalho do
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soldador, alta taxa de deposio, resultando em alta produtividade e qualidade
da solda produzida. Estas vantagens fazem com que estes processos sejam
adequados para alta produo e soldagem automatizada. Isto se tornou evidente
com o advento da utilizao de robs na produo, onde o GMAW e FCAW tm
sido os processos mais utilizados.
Os arames tubulares e os arames slidos possuem muita similaridade
quanto aos equipamentos usados na soldagem como nos tipos de aplicaes
recomendadas. Algumas caractersticas como alta produtividade, boa
flexibilidade e facilidade de operao tornam os processos GMAW e FCAW
altamente competitivos e, em muitos casos, concorrentes diretos nas aplicaes
de soldagem (RODRIGUES, 2005).
Em relao geometria do cordo de solda, as diferenas so geradas,
principalmente, devido ao comportamento do arco e da transferncia metlica.
Soldas realizadas com arames slidos possuem alta penetrao, porm
estreita, do tipo dediforme (figura 10 a).
Soldas realizadas com arames tubulares possuem o arco mais largo, com
aspecto liso e penetrao mais rasa (figura 10 b).
Figura 10: Geometria do cordo de solda. a) processo GMAW e b) processo
FCAW.
Fonte: Araujo (2004).
Na Soldagem GMAW, a tocha deve estar alinhada, pois um pequeno
desalinhamento pode causar falta de fuso lateral.
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No processo FCAW, devido ao arco mais largo, h uma tolerncia maior
para o desalinhamento da tocha, reduzindo assim, os defeitos por falta de fuso
(ARAUJO, 2004).
3.3.1 PROCESSO GMAW
um processo de soldagem a arco que utiliza um arco entre uma
alimentao contnua de metal e a poa de fuso (OKUMURA, 1982). Esse
processo utiliza como proteo para a poa de soldagem contra contaminao
do ar externo uma fonte externa de gs de proteo.
Como j citado, o processo GMAW, conhecido tambm como processos
MIG (Metal Inert Gas) e MAG (Metal Active Gas), utiliza como fonte de calor um
arco eltrico mantido entre o eletrodo nu consumvel, alimentando
continuamente o metal base. A proteo da regio de soldagem feita por um
fluxo de gs inerte (MIG) ou ativo (MAG). A soldagem pode ser automtica ou
semiautomtica.
A Figura 11 ilustra esquematicamente o processo.
Figura 11: Ilustrao do princpio do processo GMAW.
Fonte: Fortes (2005).
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O processo de soldagem GMAW apresenta varias vantagens, como,
possibilidade de ser executada em todas as posies, no h necessidade de
remoo de escria, possui alta taxa de deposio do metal de solda, pode ser
realizada com altas velocidades de soldagem, alimentao contnua de arame,
penetrao de raiz mais uniforme, poucos problemas de distoro e tenso
residual e soldagem de fcil execuo.
As principais limitaes do processo so maior velocidade de
resfriamento, aumentando assim a ocorrncia de trincas, a soldagem deve ser
protegida de correntes de ar, no fcil de ser realizada em locais de difcil
acesso, pois o bocal precisa ficar prximo do metal base a ser soldado, grande
emisso de raios ultravioleta e equipamento de soldagem mais caro e complexo
que o do processo com eletrodo revestido.
Segundo Gimenez (2005) a tocha de soldagem consiste basicamente de
um bico de contato, que faz a energizao do arame-eletrodo, de um bocal que
orienta o fluxo de gs protetor e de um gatilho de acionamento do sistema. O
bico de contato um pequeno tubo base de cobre, cujo dimetro interno
ligeiramente superior ao dimetro do arame-eletrodo, e serve de contato eltrico
deslizante. O bocal feito de Cobre ou material cermico e deve ter um dimetro
compatvel com a corrente de soldagem e o fluxo de gs a ser utilizado numa
dada aplicao. O gatilho de acionamento movimenta um contator que est
ligado ao primrio do transformador da mquina de solda, energizando o circuito
de soldagem, alm de acionar o alimentador de arame e uma vlvula solenide,
que comanda o fluxo de gs protetor para a tocha. As tochas para soldagem
MIG/MAG podem ser refrigeradas a gua ou pelo prprio gs de proteo,
dependendo de sua capacidade, dos valores de corrente utilizados e do fator de
trabalho. Quanto ao formato, as tochas podem ser retas ou curvas, sendo as
mais utilizadas as do tipo "pescoo de cisne" que so as que oferecem maior
maneabilidade.
O condute suporta, protege e direciona o arame dos roletes
alimentadores at o tubo de contato. Alimentao ininterrupta necessria para
assegurar uma boa estabilidade do arco. Cuidados especiais devem ser
tomados com a passagem do arame pelo condute. O arame no deve dobrar ou
torcer quando introduzido na tocha. No contato do arame com os roletes de
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contato do carro de alimentao, existe uma tendncia de esmagamento do
arame, o que se deve evitar.
As fontes de soldagem fornecem energia eltrica para o arame e para a
pea de trabalho de forma a produzir o arco eltrico. Para a maioria das
aplicaes com GMAW, utilizam-se fontes que fornecem corrente contnua direta
com eletrodo positivo (DCEP direct corrent electrod positive), isto , o plo
positivo da mquina conectado tocha e o negativo pea. A constituio
interna destas fontes , geralmente, do tipo transformador-retificador, ou
geradores (pouco usuais).
3.3.2 PROCESSO FCAW
O processo FCAW (Flux Cored Arc Welding) aquele onde a unio entre
os metais obtida atravs do arco eltrico entre o eletrodo e a pea a ser
soldada. A proteo do arco neste processo feita pelo fluxo interno do arame
podendo ser, ou no, complementada por um gs de proteo. Alm da funo
de proteger o arco eltrico da contaminao pela atmosfera, o fluxo interno do
arame pode tambm atuar como desoxidante atravs da escria formada,
acrescentar elementos de liga ao metal de solda e estabilizar o arco. A escria
formada, alm de atuar metalurgicamente, protege a solda durante a
solidificao (FORTES, 2004).
A Figura 12 ilustra esquematicamente o processo.
Figura 12 Processo bsico de soldagem FCAW.
Fonte: Fortes (2004).
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A soldagem com arame tubular possui inmeras semelhanas em relao
ao processo GMAW no que diz respeito aos equipamentos e princpios de
funcionamento. Este fato lhe permite compartilhar o alto fator de trabalho e a
taxa de deposio, caractersticos da soldagem GMAW. Por outro lado, atravs
da soldagem FCAW possvel obter a alta versatilidade da soldagem com
eletrodos revestidos no ajuste de composio qumica e facilidade de trabalho
em campo (GOMES, 2006).
Os benefcios da soldagem com arames tubulares esto relacionados a
algumas caractersticas, tais como produtividade relacionada utilizao de
arames contnuos e benefcios metalrgicos provenientes do fluxo interno do
arame.
O processo de soldagem com arame tubular tem duas variaes:
a) Eletrodo com proteo gasosa - o fluxo interno tem principalmente a
funo de desoxidante e de introdutor de elementos de liga. As funes de
proteo do arco e ionizao da atmosfera ficam mais a cargo do gs introduzido
a parte. O gs de proteo usualmente o dixido de carbono ou uma mistura
de argnio e dixido de carbono. O processo de proteo a gs apropriado
para produo de peas pequenas e soldagem de elevada penetrao.
b) No processo sem proteo a gs, h uma diferenciao no interior da
tocha e o arame denominado auto protegido, ou seja, o prprio eletrodo possui
um fluxo interno que se encarrega de auxiliar na proteo da poa de fuso.
Como no processo GMAW, o FCAW tem propriedades que favorecem a
sua escolha em comparao com outros processos a arco, tais como a
qualidade da solda depositada, a alta taxa de deposio, alta produtividade,
cordes com aparncias e contornos satisfatrios, a maioria dos aos podem ser
soldados, apresenta bons resultados em materiais com espessuras maiores,
menos susceptvel a trincas e o eletrodo auto protegido mais tolerante
variao do ambiente, ou seja, soldagem ao ar livre.
Em relao as suas limitaes, as principais so a questo do arame
tubular ter um custo maior em relao ao slido e possuir escria, ou seja,
necessita de uma limpeza adequada para realizao de novos cordes.
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3.3.3 TRANSFERNCIAS METLICAS
A transferncia do metal de solda fundido atravs do arco pode ocorrer
em qualquer dos trs modos bsicos: globular, curto-circuito ou spray. Uma
variao de spray pulsado conduz a caractersticas desejadas da transferncia
por spray disponvel para juntas de chapas metlicas e soldagem de metais
grossos em todas as posies. O calor adicionado junta, gs de proteo e as
caractersticas da fonte de energia determinam o modo de transferncia.
A escolha do tipo de transferncia ser determinada, pelo metal base a
ser soldado, complexidade da soldagem, taxa de deposio requerida e
posies de soldagem. Em geral, processos de menor calor adicionado so
favorveis devido sua menor penetrao, fuso do metal base e severidade do
processo. Minimizando a diluio do metal de solda pelo metal base haver
reduo na tendncia ocorrncia de trincas durante a soldagem. Os menores
dimetros de arame como modos de transferncia de baixo aporte de calor so
usados para a maioria das soldagens em ferro fundido.
Todos os modos de transferncia metlica podem ser usados na
soldagem do ferro fundido (AWS, 1998).
Figura 13: Modos de transferncia metlica.
Fonte: AWS (1998).
3.3.4 PRINCIPAIS VARIAVEIS DE SOLDAGEM
Variveis do processo afetam a penetrao e a geometria da solda, e
conseqentemente as qualidades globais. Diversas variveis influenciam nas
caractersticas do cordo de solda, dentre elas destacam-se a corrente de
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soldagem, a tenso, a velocidade de soldagem, o comprimento (stick-out) e a
orientao do eletrodo, o metal de adio e a proteo gasosa.
O conhecimento e o controle destas variveis so essenciais para a
obteno de uma solda de qualidade e satisfatria. Estas variveis no so
completamente independentes e mudana em uma, geralmente exige mudanas
em uma ou mais das outras variveis para produzir os resultados desejados.
As principais variveis dos processos de soldagem GMAW e FCAW so:
3.3.4.1 CORRENTE DE SOLDAGEM
Influencia diretamente a taxa de deposio, o modo de transferncia
metlica e as caractersticas geomtricas do cordo. Portanto, sua escolha
depender da espessura das peas a serem unidas, do dimetro do eletrodo e
das caractersticas desejadas dos cordes de solda. Alm disso, uma corrente
de baixa intensidade pode ocasionar pouca estabilidade ao arco eltrico. Se as
variveis do processo forem mantidas constantes e o valor da corrente de
soldagem for aumentado, ocorrer aumento na penetrao e na profundidade da
solda, na taxa de deposio do metal de adio e no dimetro da gota de solda
at o ponto de transio (ALVES, 2008).
No processo GMAW a corrente de soldagem est diretamente relacionada
velocidade de alimentao do arame (desde que a extenso do eletrodo seja
constante). Quando a velocidade de alimentao do arame alterada, a corrente
de soldagem varia no mesmo sentido (GIRALDO, 2008).
A corrente de soldagem tem grandes efeitos no processo com arames
tubulares, sendo que a taxa de deposio e a penetrao do processo so
diretamente proporcionais ao aumento da corrente de soldagem (GOMES,
2006).
Segundo Mostafa (2006) o aumento da corrente, na soldagem FCAW,
reduz o tamanho das gotas, mas aumenta o ritmo das mesmas que, ao golpear a
poa de fuso, faz com que ocorra uma penetrao mais profunda.
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3.3.4.2 TENSO DO ARCO
Tenso e comprimento do arco eltrico so variveis freqentemente
utilizadas e extremamente interligadas. Porm apesar desta interligao, estas
variveis so diferentes. O comprimento do arco uma varivel independente.
Porm, a tenso depende tanto do comprimento do arco, como de outras
variveis tais como composio e dimetro do arame, tipo do gs de proteo e
tcnica de soldagem. Alm disto, visto que a tenso medida na mquina de
solda, o comprimento dos cabos tambm influencia o seu valor. A tenso do arco
uma medida aproximadamente do comprimento fsico do arco em termos
eltricos, Figura 14, apesar da tenso no arco incluir a queda de tenso devido
extenso do eletrodo.
Figura 14: Terminologias.
A definio do valor da tenso do arco deve ser feita levando em
considerao a composio qumica do tipo de material de base e do gs de
proteo e o modo de transferncia metlica desejada.
Testes de solda so necessrios para ajustar a tenso do arco para
produzir caractersticas favorveis e boa aparncia do cordo de solda. Estes
testes so essenciais, pois o valor timo para a tenso depende de uma grande
variedade de fatores incluindo espessura do material, tipo de junta, posio de
soldagem, dimetro do arame, composio do gs de proteo e tipo de solda.
Partindo de um valor qualquer para tenso do arco, um aumento na tenso
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tende a achatar o cordo de solda e aumentar a zona de fuso. Tenses
excessivamente grandes podem causar porosidade, respingos e trincas.
Reduo na tenso resulta em um cordo mais estreito com reforo concentrado
na linha central do cordo e penetrao profunda. Tenses excessivamente
baixas podem causar toque do arame na poa de fuso, desestabilizando o arco.
3.3.4.3 STICK-OUT
O stick-out corresponde distncia entre o bico de contato e a pea.
Incorpora o comprimento do arco e a extenso do eletrodo. Em procedimentos
de soldagem o valor do stick-out que especificado.
Figura 15: Stick out.
Quando a distncia do bico de contato pea muito grande, pode
ocorrer uma deficincia na ao do gs de proteo. Para uma taxa de
alimentao fixa do arame, qualquer aumento desta distncia reduz a corrente
fornecida pela fonte. Sales (2001) menciona um estudo em que o aumento da
distncia bico de contato pea pode provocar um aumento significativo do
reforo do cordo de solda e diminuio da largura do cordo. Esta tendncia
mais pronunciada para a soldagem com o CO2 puro.
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52
Figura 16: Influncia do stick-out na geometria do cordo de solda.
Fonte: Wainer (1992).
3.3.4.4 VELOCIDADE DE SOLDAGEM
Velocidade de soldagem a taxa linear na qual o arco se movimenta ao
longo da junta. Mantendo todas as demais variveis do processo constante, a
penetrao mxima a uma velocidade intermediria.
A velocidade um parmetro que possui uma grande influncia na
geometria do cordo de solda. Quando excessivamente grande, torna um cordo
convexo com bordas irregulares e diminui a penetrao. Se a velocidade for
muito pequena, h incluso de escoria e cordo irregular. Assim, a velocidade
um importante fator na determinao da energia de soldagem, pois pode atuar
num grande intervalo (Machado, 1996).
Quando a velocidade de soldagem reduzida, a deposio de metal por
unidade de comprimento aumenta. Com velocidades muito baixas, o arco
eltrico incide com maior violncia sobre a poa de fuso mais que sobre o metal
base, reduzindo assim a penetrao efetiva. Uma poa larga tambm
esperada como resultado.
Quando a velocidade aumentada, a energia trmica por unidade de
comprimento transmitida para o metal de base atravs do arco , em princpio
aumentada, devido ao arco agir diretamente no metal base. Com aumentos
sucessivos na velocidade, menor energia por unidade de comprimento de solda
cedida ao metal base. Ento, a fuso do metal de base primeiramente
aumenta e depois diminui com o aumento da velocidade. Com aumentos
sucessivos da velocidade, h uma tendncia mordedura nas bordas do cordo
devido deposio insuficiente.
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53
3.3.4.5 ORIENTAO DO ELETRODO
A orientao do eletrodo em relao junta soldada afeta o formato e a
penetrao do cordo de solda quando outras variveis so mantidas
constantes. Esta influncia maior observada quando se altera a tenso e a
corrente de soldagem (Felizardo, 2005). A orientao do eletrodo pode ser
descrita de duas maneiras:
a) ngulo da tocha: a medida de inclinao entre o eixo do eletrodo e a
superfcie adjacente do metal de base.
b) Sentido de soldagem: Tem-se nesta situao, a tcnica do arraste,
onde a tocha puxa a poa de fuso e a tcnica do avano, onde a tocha empurra
a poa de fuso.
A Figura 17 ilustra o efeito da orientao do eletrodo na morfologia do
cordo de solda. Observa-se que o cordo fica mais largo e achatado quando a
tocha usada na tcnica de avano (empurrando) e a penetrao mxima
quando a tcnica utilizada a de arraste (puxando), com ngulo de
aproximadamente 25 com a perpendicular.
Figura 17: Efeito da orientao do eletrodo na morfologia do cordo de solda.
Fonte: Felizardo (2005).
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54
3.3.4.6 MATERIAL DE ADIO
A escolha do material de adio de essencial importncia para o
sucesso da soldagem. A composio qumica do eletrodo (arame) deve ser
selecionada para alcanar as propriedades desejadas do metal de solda, em
virtude do arame determinar as propriedades fsicas e qumicas da soldagem.
Uma grande variedade de metais de adio existe para a soldagem de
ferro fundido. Eletrodos revestidos so os mais utilizados, mas barras de arame,
arames tubulares e at slidos tm encontrado grande aceitabilidade.
Embora no seja recomendado, em face da morfologia e das
propriedades mecnicas obtidas na soldagem, arames no contendo Ni, Mn ou
Cr tambm podem ser utilizados na soldagem de ferro fundido, em virtude de
custos.
3.3.4.6.1 ELETRODOS REVESTIDOS
Os eletrodos revestidos para a soldagem de ferro fundido so
classificados pela norma ANSI/AWS A5.15, Varetas e Eletrodos Revestidos
para a soldagem de ferro fundido. Os Eletrodos revestidos iniciam sempre com
a letra E que significa eletrodo, seguido pelo tipo de material que compe a alma
metlica. Por exemplo, eletrodos contendo alma de ferro fundido recoberta so
classificados como ECI (Electrode Cast Iron). Este tipo de eletrodo possui baixo
custo. So relativamente fceis de soldar, mas as propriedades e resistncia do
depsito so um tanto inconsistentes. Estes eletrodos geralmente no so
adequados para a soldagem de ferro fundido dctil e malevel.
Eletrodos classificados como ESt tm uma alma de ao e recobrimento de
grafite. virtualmente impossvel prevenir a formao de regies endurecidas no
metal de solda devido diluio do metal base. Estes eletrodos so largamente
utilizados para reparos de pequenas falhas e trincas. Os eletrodos ESt podem
ser usados para reparos de fundidos que necessitam de operaes de usinagem
aps a soldagem. A dilatao do ao muito maior do que a dilatao do ferro
fundido, resultando na formao de altas zonas tensionadas quando a solda
resfria. Pr-aquecimento usado quando necessrio prevenir tenses
excessivas nas outras partes do ferro fundido. Tenses residuais internas podem
ser severas o suficiente para causar trincas.
-
55
Eletrodos de ao para baixo carbono tais como E7015, E7016, E7018 e
E7028, so algumas vezes usados para a soldagem ornamental de ferro fundido.
Eletrodos de ao inoxidvel so raramente usados devido formao de
carbonetos de cromo e trincas na solda que surgem devido s diferentes dureza
e coeficientes de expanso. Os eletrodos do tipo E308, E309, E310 e E312
possuem aplicao limitada e muitos cuidados devero ser tomados ao utiliz-
los. O eletrodo E310 produz um depsito de baixa permeabilidade e pode ser
satisfatoriamente usado onde as propriedades magnticas so especificadas
(AWS, 1998).
Eletrodos base de nquel so amplamente usados para a soldagem de
ferro fundido. Isto se deve ao fato deste tipo de eletrodo auxiliar na preveno de
trincas nos ferros fundidos.
Os do tipo AWS ENiFe-Cl tm uma composio qumica media de 55%Ni
e 45%Fe e so empregados para a soldagem de ferros fundidos. Seu
revestimento a base de grafite, permite que o teor de carbono do material
depositado fique compreendido entre 1 e 2%, evitando trincas de solidificao a
quente.
Os produtos de nquel puro (ENi-Cl) raramente trincam devido diluio
excessiva, porque eles contm um alto teor de nquel. Entretanto, os produtos
nquel-ferro e nquel-ferro mangans (ENiFe-Cl, ENiFeT3-Cl e ERNiFeMn-Cl)
podem apresentar trincas na zona soldada se a diluio for muito alta.
Normalmente, estas trincas aparecem como trincas transversais ao cordo de
solda ou como trincas na linha de centro do cordo somente sob condies de
alta restrio e quando a diluio excede 30% (por exemplo, o depsito de solda
obtido maior do que 30% do volume do ferro fundido).
Como na ferrita, a solubilidade do carbono no nquel baixa (0,02%) no
estado slido. Assim que a poa de fuso solidifica e resfria, o carbono slido
rejeitado da soluo slida e precipita como grafita. Esta reao aumenta o
volume do depsito.
Eletrodos a base de nquel (ENi-Cl e ENiFe-Cl) assim como os arames
para o processo TIG e arame tubular, possuem um contedo de carbono
ligeiramente acima do limite de solubilidade no nquel. O resultante aumento no
volume de solda ajuda a compensar as tenses de contrao geradas durante o
-
56
resfriamento e diminui a probabilidade de trincas na zona de fuso e na ZAC
(AWS, 1998).
Os eletrodos nquel-cobre classificados como ENiCu-A e ENiCu-B
possuem limitado uso para a soldagem. Eles so usados para produzir uma
baixa profundidade de fuso, devido alta diluio do metal base que pode
resultar em trincas (AWS, 1998).
3.3.4.6.2 ELETRODO TUBULAR
Um eletrodo tubular ENiFeT3-Cl um eletrodo contnuo contendo fluxo no
seu interior. Combinando as melhores caractersticas do eletrodo protegido
superficialmente e os processos de arame slido, ele produz soldas resistentes e
dcteis a altas taxas de deposio sem gs de proteo. A composio do
ENiFeT3-Cl similar ao do ENiFe-Cl exceto pelo mais alto contedo de
mangans. Contm em sua composio de 3 a 5% de mangans para resistir a
trincas a quente e aumentar a resistncia e ductilidade do metal de solda. Este
eletrodo usualmente utilizado para metais base de pouca espessura ou onde o
processo possa ser automatizado, sendo til para a soldagem de conjuntos
feitos de ferro fundido e ao.
Junto com outras ligas apropriadamente adicionadas, o mangans no
eletrodo ENiFeT3-Cl produz uma grande capacidade de resistir a trincas em
soldas com altas taxas de deposio. O metal de solda desenvolve propriedades
mecnicas e microestrutura similar a aquelas depositadas por eletrodos ENiFe-
Cl, mais com um alto teor de mangans. O principio da rejeio da grafita e o
aumento do volume do metal de solda associado com o resfriamento o mesmo
para ambos os produtos. Este tipo de eletrodo projetado para ter autoproteo
atravs do fluxo interno, mas aceitvel proteo gasosa de CO2.
No necessrio pr-aquecimento para soldagem superficial de grandes
sees de ferro fundido cinzento (AWS, 1998; LINCOLN, 1994).
3.3.4.6.3 ARAME TUBULAR
um dos processos com larga aceitao na soldagem de ferro fundido
devido alta eficincia, alm da obteno de soldas de boa qualidade. Arames
tubulares so contnuos e ocos, e possuem em seu interior fluxos, em forma de
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57
p, que permitem a soldagem dos mais diversos tipos de materiais, como aos
carbono, aos de alta resistncia e baixa liga (HSLA) e aos inoxidveis, alm de
poderem ser utilizados para depositar revestimentos duros sobre superfcies
sujeitas abraso e ao impacto (FORTES, 2004).
A principal diferena entre o processo com arame tubular e macio o
metal de adio que, no arame tubular, contem em seu interior um fluxo em
forma de p. Este fluxo contm elementos desoxidantes que auxiliam na
proteo e estabilidade do arco, alm de poder conter elementos de liga.
Segundo Lucas (1999), o fluxo contido no interior dos arames tubulares podem
ser rutlico bsico ou metlico, dependendo da composio qumica do mesmo.
Os arames tubulares do tipo metal cored, possuem fluxo metlico em seu
interior com a funo de unir o metal de solda juntamente com os elementos
contidos no interior do eletrodo para aumentar a fora do material depositado e
tambm para desoxid-lo (BAUN, 2000).
Por apresentar elevadas taxas de deposio, mnima quantidade de
escria e respingo, excelente aparncia e baixo nvel de fumos, o arame do tipo
metal cored vem obtendo a preferncia de muitas empresas, principalmente dos
segmentos automotivos e de transporte (BARHORST, 2000).
Segundo Araujo (2004), possvel trabalhar com velocidades e correntes
de soldagem maiores com o arame tubular metal cored que com o arame
macio, sem prejudicar a qualidade da solda.
Arames tubulares rutlicos contm em seu interior fluxos no metlicos,
formadores de escria e estabilizadores do arco. Esses fluxos internos tambm
tm a funo de proteger e purificar o metal de solda alm de reduzir o nmero
de respingos e controlar as caractersticas de fuso do eletrodo.
Os fluxos rutlicos possuem grande quantidade de xido de titnio (rutila)
e alguns silicatos. Os fluxos bsicos possuem grande quantidade de carbonato
de clcio (calcrio) e fluoreto de clcio (fluorita).
A queima deste fluxo durante a abertura do arco resulta em benefcios
para o cordo de solda, como, adio de elementos qumicos desoxidantes (Mn,
Si e Al), adio de elementos de liga desejada em determinadas aplicaes,
proteo gasosa adicional nos arredores da poa de fuso e proteo trmica e
qumica pela formao de uma camada de escria.
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58
3.3.4.6.4 ARAMES SLIDOS
So arames contnuos e macios, podendo, em alguns casos, serem
protegidos por uma fina camada de cobre com o objetivo de evitar a oxidao.
Os dimetros de arames comumente utilizados no processo GMAW
variam de 0,8 a 1,6 mm. Contudo, arames mais finos (0,5 mm) ou mais grossos
(3,2 mm) podem ser utilizados.
Qualquer composto utilizado na superfcie do arame ou do metal de base,
lubrificante um exemplo, pode afetar a qualidade da solda. Portanto, a limpeza
superficial do arame e do metal de base essencial para obter soldas de
qualidade. Alm disto, os arames devem ser manufaturados com rigoroso
controle de composio e pureza, visando obter total controle das propriedades
mecnicas e da seo do arame e, conseqentemente, controle da resistncia
trao, dureza e rigidez do mesmo. Estas caractersticas podem influenciar na
operao de soldagem, visto que quando h variao destas propriedades de
uma bobina para outra, provvel que ocorra alimentao errtica do arame.
Materiais de deposio tipo ERNi-1 so usados na soldagem de ferro
fundido, embora os benefcios favorveis da grafita introduzida na poa de fuso
no possam ser obtidos com um arame slido. O alto contedo de titnio do
ERNi-1 tambm promove a formao de carbetos de titnio duros.
ERNi-Cl adequado para reparos cosmticos, contudo, ausncia de
desoxidantes resulta na tendncia para porosidade em mltiplos passes de
solda.
O arame slido ERNiFeMn-Cl torna a soldagem do ferro fundido possvel
e econmica atravs da eliminao ou reduo do pr-aquecimento e reteno
de 100% das propriedades de resistncia do metal base.
Uma das razes pelas quais o ferro fundido mais econmico para
produzir do que o ao fundido que suas temperaturas de solidificao (solidus
e liquidus) so mais baixas. Isto permite fuso a mais baixa temperatura.
Contudo, temperaturas baixas de solidus e liquidus esto tambm entre as
causas dos problemas de soldagem do ferro fundido. Isto se deve ao fato de que
os arames slidos comuns utilizados para a soldagem de ferro fundido esto
muito prximos de nquel puro (ENi-Cl e ENi-Ci-A) ou 55% de nquel, balanceado
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59
com ferro (ENiFe-Cl e ENiFe-Cl-A), ambos com temperatura de solidificao
mais alta do que o metal base ferro fundido. Quando o metal de solda solidifica
antes da zona entre a poa de fuso e a ZAC, tenses de solidificao ocorrem
enquanto algumas reas esto ainda lquidas. Desde que um lquido no
consegue manter tenses de escoamento, trincas podem ocorrer.
A composio do metal de adio ENiFeMn-Cl acrescenta a soldabilidade
do ferro fundido com processos de altas taxas de deposio, primeiramente
porque ele possui uma taxa de solidificao mais compatvel com a do metal
base. A composio do ENiFeMn-Cl apresenta uma temperatura liquidus de
82C menor do que a do sistema eletrodo revestido ENiFe-Cl, e a temperatura
solidus correspondente menor. Como resultado do uso de ENiFeMn-Cl,
menores tenses de contrao so formadas enquanto a fase lquida persiste na
ZAC. Isto resulta em menos trincas. Tambm, ENiFeMn-Cl possui a vantagem
de possuir um coeficiente de expanso trmica muito parecido com a do ferro
fundido. A combinao destas caractersticas resulta em soldas que solidificam
sobre uma faixa de temperatura muito mais prxima da temperatura do ferro
fundido e que passam por similar ciclo trmico de contrao e expanso. Altas
tenses de solidificao no so localizadas na ZAC parcialmente fundida do
ferro fundido durante a solidificao, e subseqentemente tenses de
solidificao so reduzidas.
Quando a composio ENiFeMn-Cl usada, a necessidade de pr-
aquecimento eliminada ou diminuda. Este um ponto controverso entre os
metalrgicos. Por exemplo, ferro fundido dctil no ligado (Fe-C-Si), quando
soldado, pr-aquecido a 427C para prevenir a formao de martensita. Este
pr-aquecimento aumenta a quantidade de cementita (Fe3C) que se forma na
ZAC. A fase cementita pode ser mais prejudicial do que a martensita para as
propriedades mecnicas. Ferro fundido de matriz ferritica soldado sem pr-
aquecimento previne o desenvolvimento de uma banda continua de carbonetos
na ZAC do ferro fundido mais resulta na formao da martensita (AWS, 1998). 3.3.4.7 GS DE PROTEO
freqentemente considerado que a funo primria do gs de proteo
evitar a contaminao da poa de fuso pelo ar atmosfrico, mas ele uma
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60
varivel importante na operao de soldagem a arco e desempenha diversas
outras funes. O gs ou mistura de gases afetam, por exemplo, as
caractersticas de ionizao e formao do arco eltrico, o modo de transferncia
metlica do metal de adio, a estabilidade do arco, as propriedades do metal
depositado, o volume de fumos e respingos, a geometria e o aspecto superficial
do cordo, a penetrao e a velocidade de soldagem (HILTON; NORRISH, 1988;
TUSEK; SUBAN, 2001).
Os processos de soldagem a arco com proteo gasosa podem utilizar
gases de proteo com diferentes composies qumicas, em funo do metal
de base que ser soldado, do tipo de transferncia metlica desejado, do
dimetro e do tipo de eletrodo e da posio de soldagem. Porm, para diminuir o
valor agregado de uma solda, importante levar em considerao a escolha da
mistura a ser utilizada, bem como a relao custo e benefcio. Existe atualmente,
no mercado internacional e brasileiro, uma grande variedade de gases de
proteo para a soldagem de aos. Estes podem ser aplicados puros, como nos
casos do argnio e do dixido de carbono, ou mais comumente em forma de
misturas. Segundo Hilton e Norrish (1988), em geral 1 a 2% de oxignio ou 2 a
4% de CO2 so adicionados ao argnio para melhorar a estabilidade do arco e
reduzir a formao de respingos na soldagem MIG. Estes gases promovem
constantemente a reconstituio da camada de xido, facilitando assim a
emisso de eltrons, diminuem a tenso superficial, facilitando a transferncia
metlica.
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61
4 EQUIPAMENTOS, MATERIAIS E PROCEDIMENTOS
4.1 EQUIPAMENTOS
Os testes foram realizados na clula automtica de soldagem de mancais
existente na empresa abordada, conforme figura 18.
Figura 18: Clula de soldagem do mancal.
Fonte: Tecumseh do Brasil LTDA.
2
I
II III
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62
A clula de soldagem automtica de mancais composta por:
I) 01 Rob com seis eixos, marca ABB, com garra mecnica utilizando
cilindro pneumtico marca SMC (cdigo comercial CP95SDB50-60)
acoplado em seu punho.
II) 03 fontes de soldagem, marca CLOOS, modelo Quinto 503 (uma fonte
para cada tocha).
III) 01 dispositivo de soldagem composto por 03 tochas de soldagem, marca
Oximig, com 540 mm de comprimento sem refrigerao (tocha
desenvolvida para a empresa) com sistemas independentes de trao
do arame.
Na clula, o rob realiza a manipulao dos compressores da linha de
montagem para o dispositivo de soldagem, e aps a soldagem, retorna o
compressor para a linha. O processo de soldagem consiste de dois disparos
distintos e simultneos. O primeiro com durao de 1.5s e o segundo, com
durao de 0.5s. Entre os disparos h um intervalo de 2s. Utilizam-se fontes de
soldagem, marca CLOOS, modelo Quinto 503, com capacidade de 500 A / 39 V
a 100% de ciclo de trabalho e velocidade de alimentao de arame de at
30m/min.
4.2 MATERIAIS
A tabela 2 usada pelo fabricante de compressores descreve o material
com o qual foram calandradas e soldadas longitudinalmente as carcaas usadas
no estudo. O termo apresentado na coluna Especificao se refere ao cdigo do
fornecedor da chapa.
Tabela 2 Especificao e composio qumica da chapa da carcaa
Cdigo Especificao Espessura Tolerncia
150-10016 SAE1020 3.10mm +/- 0.1
Composio qumica (% mx. Peso)
Especificao C Mn P S
Usiminas SAE1020 0.23 0.60 0.030 0.050
Fonte: Tecumseh do Brasil LTDA.
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63
A figura 19 apresenta as dimenses tpicas de uma carcaa de
compressor hermtico, aplicadas em sistemas de ar condicionado.
Figura 19: Dimenses tpicas de um compressor para utilizao em aparelhos de ar
condicionado (Em amarelo, na vista em 3D, observa-se o mancal de ferro fundido
cinzento).
A figura 20 apresenta o design do mancal de ferro fundido cinzento que
soldado a carcaa de ao de baixo carbono.
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64
Figura 20: Design do mancal de ferro fundido cinzento.
O mancal de ferro fundido deve estar livre de carepas, coquilhamento,
rechupe, juntas frias e outros defeitos que sejam prejudiciais usinagem ou s
funes dos fundidos.
A microestrutura deve ser constituda de:
Um mnimo de 80% da matriz dever ser perlitica.
Um mnimo de 80% dos veios de grafita dever ser do tipo A.
Um mximo de 10% dos veios de grafita dever ser do tipo C.
A dureza deve estar entre 170-241HB medida utilizando-se uma carga de
3000 kg com um penetrador de esfera de 10 mm. A mesma deve ser verificada
aps a remoo da camada ferrtica de modo a representar o material em si.
A composio do mancal pode ser visualizada na tabela 3.
Tabela 3 Composio qumica do mancal de ferro fundido cinzento
%C %Mn %Si %P %S
3.1 0.6 2.2 0.2 0.08
Fonte: Tecumseh do Brasil LTDA
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65
No trabalho comparativo foram utilizados os arames ANSI/AWS A5.15
ERNiFeMn-Cl, ANSI/AWS A5.18 ER70S-6 e ANSI/AWS A5.18 E70C-6M, todos
com dimetro de 1.6mm.
O arame ER70S-6 o arame utilizado na unidade do Brasil e o arame
E70C-6M o arame utilizado atualmente pela unidade da Frana. As literaturas
sobre soldagem de ferro fundido no citam a utilizao dos arames ER70S-6 e
E70C-6M para tal. Os mesmos so utilizados, em virtude do baixo custo.
A composio qumica dos arames fornecida pelos fabricantes
apresentada na tabela 4.
Tabela 4 Composio qumica dos arames consumveis
Tipo arame %C %Mn %Si %Ni %Fe %P %S %Cu
ER70S-6 0.15 1.85 1,15 __ __ 0.025 0.035 0.50
E70C-6M 0.12 1.75 0,90 __ __ 0.03 0.03 0.50
ERNiFeMn-Cl 0.10 0.60 0.10 60 Bal. 0.010 0.010 __
Fonte: ER70S-6 e E70C-6M fornecedor KISWELL ERNiFeMn-CI fornecedor
Weld-inox
Como gs protetivo, foi utilizado mistura C8 (92%Ar + 8%CO2) com
vazo de 18 l / min. em cada tocha.
Com relao aos parmetros de soldagem (tabelas 05, 06 e 07), os
mesmos foram definidos por meio de testes considerando como critrio de
aceitao o no aparecimento de defeitos como falhas ou excesso de respingos,
alm da aprovao do teste de resistncia de solda. Abaixo temos os
parmetros utilizados na soldagem utilizando os diferentes arames. Entre os
disparos h um intervalo de 2s.
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66
Tabela 5 Parmetros de soldagem arame ERNiFeMn-CI
Parmetros 1 Disparo 2 Disparo
Durao disparo 1.4s 0.5s
Alimentao de arame 8.0 m/min. 8.0 m/min.
Freqncia 220 Hz 220 Hz
Voltagem 36 V 36 V
Tempo pulso 2.20ms 2.20ms
Corrente base 60A 60A
Gs de proteo C8 C8
Vazo gs de proteo 18 l/min. 18 l/min.
Pr-gs 0.5s 0
Ps-gs 0 0.5s
Stick-out 16mm NA
ngulo tocha 0 0
Tabela 6 Parmetros de soldagem arame E70C-6M
Parmetros 1 Disparo 2 Disparo
Durao disparo 1.4s 0.5s
Alimentao de arame 7.0 m/min. 7.0 m/min.
Freqncia 200 Hz 200 Hz
Voltagem 35V 35V
Tempo pulso 2.20ms 2.20ms
Corrente base 60A 60A
Gs de proteo C8 C8
Vazo gs de proteo 18 l/min. 18 l/min.
Pr-gs 0.5s 0
Ps-gs 0 0.5s
Stick-out 16mm NA
ngulo tocha 0 0
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67
Tabela 7 Parmetros de soldagem arame ER70S-6
Parmetros 1 Disparo 2 Disparo
Durao disparo 1.4s 0.5s
Alimentao de arame 7.0 m/min. 7.0 m/min.
Freqncia 200 Hz 200 Hz
Voltagem 35V 35V
Tempo pulso 2.20ms 2.20ms
Corrente base 60A 60A
Gs de proteo C8 C8
Vazo gs de proteo 18 l/min. 18 l/min.
Pr-gs 0.5s 0
Ps-gs 0 0.5s
Stick-out 16mm NA
ngulo tocha 0 0
-
68
4.3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
A sntese dos ensaios mostrada na tabela 8.
Tabela 8 Sntese dos ensaios
ENSAIO TIPO OBJETIVO
Soldagem do mancal
utilizando os arames:
ER70S-6
E70C-6M
ERNiFeMn-Cl
Clula automtica. Avaliar a qualidade dos
resultados obtidos.
Anlise da rea fundida. Micrografia da solda. Avaliar penetrao, zona
fundida e ZAC.
Anlise de ndices
qualitativos.
Teste com Hlio e sniffer
e testes funcionais.
Avaliar hermeticidade,
entreferro e rudo stall.
Ensaio de resistncia
mecnica. Norma interna.
Avaliar resistncia da
soldagem realizada.
Conjuntos (carcaa e mancal) foram soldados utilizando os diferentes
arames para anlise quanto resistncia da solda utilizando prensa hidrulica
CARLSONS (rea do cilindro com 21,2cm2).
Corpos de prova foram extrados de juntas para anlise metalogrfica com
auxilio de disco de corte.
Compressores completos foram soldados para avaliao quanto ao
entreferro, hermeticidade e rudo stall. No teste inicial comparativo, foram
soldados vinte (20) compressores com cada arame, sessenta (60) no total, em
virtude da pouca quantidade disponvel do arame ERNiFeMn-CI.
-
69
4.3.1 METALOGRAFIA E MICRO DUREZA
Trs corpos de prova referentes deposio com diferentes arames,
foram cortados no sentido transversal do cordo de solda e embutidos a quente
para anlise da macroestrutura e microestrutura. Posteriormente, utilizando as
mesmas amostras, foi realizado anlise de micro dureza Vickers. Os ensaios
foram realizados no departamento de Engenharia de Materiais da Universidade
de So Paulo Campus So Carlos.
Figura 21: Corpo de prova embutido a quente para anlise metalografica.
4.3.2 MACROGRAFIA
Para a macrografia os corpos de prova foram lixados obedecendo a
seguinte ordem de granulometria das lixas: 120, 220, 320 e 400 mesh. Depois de
terminada esta etapa, as amostras foram atacadas com Nital 1% durante 4
segundos. Uma soluo de 50% acido ntrico e 50% cido actico foi utilizado
para revelar a solda do arame ERNiFeMn-Cl. O objetivo desta anlise foi realizar
uma inspeo visual a fim de verificar a penetrao e a zona termicamente
afetada nas amostras.
-
70
4.3.3 MICROGRAFIA
Terminada a macrografia continuou-se lixando as amostras com as lixas
de 600 e 1200 mesh e na sequncia realizou-se o polimento em feltro com pasta
de diamante de quatro (4) mcrons e um (1) mcron de granulometria. As
superfcies ento foram atacadas com Nital 1% durante 02 segundos para
anlise da rea do mancal de ferro fundido, durante 04 segundos para anlise da
rea da solda e da carcaa. A regio da solda do arame ERNiFeMn-Cl foi
atacada com uma soluo de 50% cido ntrico + 50% cido actico, durante 15
segundos.
Depois de atacadas, as amostras foram analisadas atravs de um
microscpio ptico com intuito de identificar a microestrutura dos metais base,
ZTA, ZPD e do metal de adio.
4.3.4 PERFIL DE MICRO DUREZA
A partir das amostras polidas usadas na macrografia e micrografia foram
realizados os perfis de micro dureza Vickers. Foi realizada uma linha de perfil
horizontal passando pela carcaa, ZAC e ZPD e carcaa novamente (buscou-se
percorrer a regio de interface da solda com o mancal). Outras duas linhas foram
feitas no sentido vertical passando pelo mancal, ZAC, ZPD e metal de adio. As
linhas podem ser visualizadas na figura 22. O equipamento utilizado foi um micro
durmetro LEIKA VMHT MOT (figura 23). Uma carga de 200g foi aplicada sobre
a superfcie durante 15 segundos e com distncia entre pontos de 0.05 0.20
mm.
Figura 22: Desenho esquemtico das linhas percorridas para elaborao dos perfis de
micro dureza.
(a) (b)
(a)
(b)
(b)
Linha horizontal
Linha vertical A
ZAC
Carcaa Solda
Mancal
Linha vertical B (a)
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71
Figura 23: Micro durmetro Leica VMHT Mot utilizada para medio dos perfis de micro
dureza.
4.3.5 ENSAIO DE RESISTNCIA DA SOLDA
O ensaio quanto resistncia da soldagem foi realizada no setor de
montagem de compressores rotativos na empresa abordada no trabalho. Este
ensaio visou verificar a resistncia de cada arame no processo de soldagem do
mancal.
Os ensaios foram conduzidos em um ambiente com temperatura de 22C.
Foi utilizado para tal, prensa hidrulica CARLSONS, onde o conjunto soldado
(carcaa e mancal), deve ser posicionado de tal forma que ele fique centralizado
no cilindro hidrulico (figura 24).
O mancal precisa suportar a fora de 90 kgf. / cm2 durante sessenta (60)
segundos. Se a presso cair antes de alcanar os 90 kgf. / cm2 ou antes dos
sessenta (60) segundos estourar, a solda falhou. Aps a solda resistir a 90 kgf. /
cm2 por sessenta (60) segundos, aumenta-se a presso at o mancal quebrar
as trs (3) soldas da carcaa.
-
72
Figura 24: Prensa hidrulica de ensaio quanto resistncia da soldagem: I) Vista geral
do equipamento; II) e III) Conjun